膜分離材料 張媛媛

1、過濾材料主講人：張媛媛 膜分離技術(shù)是指以膜兩側(cè)的能量差為膜分離技術(shù)是指以膜兩側(cè)的能量差為推動力推動力，依靠膜的選擇性，將液體中的組分依靠膜的選擇性，將液體中的組分進(jìn)行分離的方法進(jìn)行分離的方法。膜分離法的核心是膜本身，膜分離法的核心是膜本身，膜必須是半透膜，即能透過一種物質(zhì)膜必須是半透膜，即能透過一種物質(zhì), ,而阻而阻礙另一種物質(zhì)。礙另一種物質(zhì)。17481748年，年，NelktNelkt發(fā)現(xiàn)誰能自發(fā)的擴(kuò)散到裝有酒精的豬膀胱發(fā)現(xiàn)誰能自發(fā)的擴(kuò)散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)，開創(chuàng)了膜滲透的研究。內(nèi)，開創(chuàng)了膜滲透的研究。1919世紀(jì)，人們對溶劑的滲透現(xiàn)象有了明確認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)天然世紀(jì)，人們對溶劑的滲透現(xiàn)象有了明確

2、認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)天然橡膠對某些氣體的不同滲透率，提出利用多孔膜分離氣體橡膠對某些氣體的不同滲透率，提出利用多孔膜分離氣體混合物的思路?；旌衔锏乃悸?。18551855年，年，F(xiàn)ickFick用陶瓷管侵入用陶瓷管侵入硝酸纖維素硝酸纖維素乙醚溶液制備囊袋乙醚溶液制備囊袋型超濾半滲透膜，用以滲透生物學(xué)流體溶液。型超濾半滲透膜，用以滲透生物學(xué)流體溶液。19071907年，年，BechholdBechhold指出濾膜孔徑可以用改變火膠棉溶液的指出濾膜孔徑可以用改變火膠棉溶液的溶度來控制，從而可制出不同孔徑的膜，并列出相應(yīng)過濾溶度來控制，從而可制出不同孔徑的膜，并列出相應(yīng)過濾顆粒物質(zhì)梯級表。顆粒物質(zhì)梯級表。191

3、81918年，年，ZsigmondyZsigmondy等人提出了商品規(guī)模生產(chǎn)硝酸纖維素等人提出了商品規(guī)模生產(chǎn)硝酸纖維素微孔濾膜的方法，微孔濾膜的方法， 19211921年獲的專利。年獲的專利。 3030年代微孔過濾，分離和富集微生物和極細(xì)粒年代微孔過濾，分離和富集微生物和極細(xì)粒子。子。 4040年代出現(xiàn)了基于滲析原理的年代出現(xiàn)了基于滲析原理的人工腎人工腎。 5050年代電滲析獲得工業(yè)應(yīng)用。年代電滲析獲得工業(yè)應(yīng)用。 6060年代研制成功醋酸纖維素非對稱膜和中空醋年代研制成功醋酸纖維素非對稱膜和中空醋酸膜，這是在膜分離技術(shù)發(fā)展中兩個重大突破，酸膜，這是在膜分離技術(shù)發(fā)展中兩個重大突破，對膜分離技術(shù)起

4、了重要推動作用使反滲透，超濾對膜分離技術(shù)起了重要推動作用使反滲透，超濾和氣體分離進(jìn)入實(shí)用性階段。和氣體分離進(jìn)入實(shí)用性階段。7070年代超濾和液膜；年代超濾和液膜；8080年代氣體分離；年代氣體分離；9090年代滲透汽化年代滲透汽化 3.1 3.1 根據(jù)分離粒子大小分類根據(jù)分離粒子大小分類：滲析（滲析（DialysisDialysis，DSDS）電滲析（電滲析（ElectrodialysisElectrodialysis，EDED ）反滲透（反滲透（Reverse osmosisReverse osmosis，RORO ）微濾（微濾（MicrofiltrationMicrofiltration，

5、MFMF）超濾（超濾（UltrafiltrationUltrafiltration，UFUF ）納濾（納濾（NanofiltrationNanofiltration，NFNF ）滲透氣化（滲透氣化（PervaporationPervaporation，PVPV）以電動勢為推動力：電滲析和電滲透以電動勢為推動力：電滲析和電滲透以濃度差為推動力：擴(kuò)散滲析和自然滲透以濃度差為推動力：擴(kuò)散滲析和自然滲透 以壓力差為推動力：壓滲析和反滲透、超以壓力差為推動力：壓滲析和反滲透、超 濾濾 其中常用的是電滲析其中常用的是電滲析、反滲透和超濾，反滲透和超濾，其次是擴(kuò)散滲析和微孔過濾。其次是擴(kuò)散滲析和微孔過濾。

6、分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中有選擇地透過或輸送特定的物質(zhì)，有選擇地透過或輸送特定的物質(zhì)，如顆粒，分如顆粒，分子，離子等?；蛘哒f物質(zhì)的分離是通過膜的選子，離子等?；蛘哒f物質(zhì)的分離是通過膜的選擇透過性實(shí)現(xiàn)的。幾種主要的膜分離過程及傳擇透過性實(shí)現(xiàn)的。幾種主要的膜分離過程及傳遞機(jī)理如下：遞機(jī)理如下： 5.1 滲析滲析 作用機(jī)理作用機(jī)理: :滲析以濃度差為推動力滲析以濃度差為推動力 的膜分的膜分離操作，利用膜對溶質(zhì)的選擇透過性離操作，利用膜對溶質(zhì)的選擇透過性, ,實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)不同性質(zhì)溶質(zhì)的分離。即利用半透膜能透過不同性質(zhì)溶質(zhì)的分離。即利用半透膜能透過小分子和離子但不能透過膠體粒子

7、的性質(zhì)從小分子和離子但不能透過膠體粒子的性質(zhì)從溶膠中除掉作為雜質(zhì)的小分子或離子。滲析溶膠中除掉作為雜質(zhì)的小分子或離子。滲析過程中滲析膜內(nèi)無流體流動，溶質(zhì)以擴(kuò)散的過程中滲析膜內(nèi)無流體流動，溶質(zhì)以擴(kuò)散的形式移動。形式移動。水分子水分子大分子大分子小分子小分子滲析膜滲析膜u常用于除去蛋白或核酸樣品中的鹽、變性劑、還常用于除去蛋白或核酸樣品中的鹽、變性劑、還原劑之類的小分子雜質(zhì)，原劑之類的小分子雜質(zhì)，u有時也用于置換樣品緩沖液。有時也用于置換樣品緩沖液。 u由于滲析過程以濃差為傳質(zhì)推動力，膜的透過量由于滲析過程以濃差為傳質(zhì)推動力，膜的透過量很小，不適于大規(guī)模生物分離過程、但在實(shí)驗室很小，不適于大規(guī)模生

8、物分離過程、但在實(shí)驗室中應(yīng)用較多。中應(yīng)用較多。u滲析法在臨床上常用于腎衰竭患者的血液滲析。滲析法在臨床上常用于腎衰竭患者的血液滲析。 作用機(jī)理：作用機(jī)理：電滲析是一種電化學(xué)過程，利用電滲析是一種電化學(xué)過程，利用膜和電位差從水溶液和其它帶荷電的混合物中膜和電位差從水溶液和其它帶荷電的混合物中分離離子物質(zhì)的膜過程。利用帶電離子或分子分離離子物質(zhì)的膜過程。利用帶電離子或分子的傳導(dǎo)電流的能力；膜是導(dǎo)電的，允許帶正電的傳導(dǎo)電流的能力；膜是導(dǎo)電的，允許帶正電荷通過的陽離子交換膜、允許帶負(fù)電荷通過陰荷通過的陽離子交換膜、允許帶負(fù)電荷通過陰離子交換膜。離子交換膜。u工業(yè)上多用于海水、苦咸水淡化、廢水處理工業(yè)上

9、多用于海水、苦咸水淡化、廢水處理u生物分離中可用于氨基酸和有機(jī)酸等小分子生物分離中可用于氨基酸和有機(jī)酸等小分子的脫鹽和分離純化。的脫鹽和分離純化。作用機(jī)理：作用機(jī)理：利用反滲透膜選擇性的只能通過溶劑利用反滲透膜選擇性的只能通過溶劑（通常是水）而截留離子物質(zhì)性質(zhì)，以膜兩側(cè)（通常是水）而截留離子物質(zhì)性質(zhì)，以膜兩側(cè)靜壓差為推動力，克服滲透壓，使溶劑通過反靜壓差為推動力，克服滲透壓，使溶劑通過反滲透膜實(shí)現(xiàn)對液體混合物進(jìn)行分離的過滲透膜實(shí)現(xiàn)對液體混合物進(jìn)行分離的過程程反滲反滲透將料液分成兩部分：透過膜的是含溶質(zhì)很少透將料液分成兩部分：透過膜的是含溶質(zhì)很少的溶劑，稱為滲透液；未透過膜的液體，溶質(zhì)的溶劑，稱

10、為滲透液；未透過膜的液體，溶質(zhì)濃度增高，稱為濃縮液。濃度增高，稱為濃縮液。操作壓差一般為操作壓差一般為1.51.510.5MPa10.5MPa，截留組分為，截留組分為小分子物質(zhì)。小分子物質(zhì)。分離的溶劑分子往往很小，不能忽略滲透壓的作用分離的溶劑分子往往很小，不能忽略滲透壓的作用滲透和反滲透滲透和反滲透海水和苦咸水脫鹽制飲用水；海水和苦咸水脫鹽制飲用水；制備醫(yī)藥、化學(xué)工業(yè)中所需的超純水；制備醫(yī)藥、化學(xué)工業(yè)中所需的超純水；用于處理重金屬廢水用于處理重金屬廢水用于濃縮過程，用于濃縮過程，不會破壞生物活性，不會改不會破壞生物活性，不會改變風(fēng)味、香味變風(fēng)味、香味。包括：食品工業(yè)中果汁、糖、包括：食品工業(yè)

11、中果汁、糖、咖啡的濃縮；電鍍和印染工業(yè)中廢水的濃縮；咖啡的濃縮；電鍍和印染工業(yè)中廢水的濃縮；奶品工業(yè)中牛奶的濃縮。奶品工業(yè)中牛奶的濃縮。嵊泗嵊泗1000噸噸/日反滲透海水淡化裝置日反滲透海水淡化裝置作用機(jī)理作用機(jī)理：微濾（微濾（MFMF）是利用微孔膜孔）是利用微孔膜孔 的的篩分作用，在靜壓差的推動下，將濾液中大篩分作用，在靜壓差的推動下，將濾液中大于膜孔徑的微粒、細(xì)菌及懸浮物質(zhì)等截留下于膜孔徑的微粒、細(xì)菌及懸浮物質(zhì)等截留下來，達(dá)到除去濾液中微粒與澄清溶液的目的。來，達(dá)到除去濾液中微粒與澄清溶液的目的。微濾的孔徑：微濾的孔徑：0.050.051010 m m，孔隙率達(dá)到，孔隙率達(dá)到70-8070

12、-80 操作壓差：操作壓差：0.010.010.2MPa0.2MPa 作用機(jī)理：作用機(jī)理：超濾又稱超過濾，用于去除廢超濾又稱超過濾，用于去除廢水中大分子物質(zhì)和微粒。超濾之所以能夠節(jié)水中大分子物質(zhì)和微粒。超濾之所以能夠節(jié)流大分子物質(zhì)和微粒，其機(jī)理是：膜表面孔流大分子物質(zhì)和微粒，其機(jī)理是：膜表面孔徑機(jī)械篩分作用，膜孔阻塞、阻滯作用和膜徑機(jī)械篩分作用，膜孔阻塞、阻滯作用和膜表面及膜孔對雜質(zhì)的吸附作用。而一般認(rèn)為表面及膜孔對雜質(zhì)的吸附作用。而一般認(rèn)為主要是篩分作用。主要是篩分作用。 超濾是以壓力為推動力，利用超濾膜不同孔超濾是以壓力為推動力，利用超濾膜不同孔徑對液體中溶質(zhì)進(jìn)行分離的物理篩分過程。徑對液

13、體中溶質(zhì)進(jìn)行分離的物理篩分過程。其截斷分子量一其截斷分子量一 般為般為6000到到 50萬，孔徑萬，孔徑為幾十為幾十nm，操作壓，操作壓0.2-0.6MPa。 超濾從超濾從7070年代起步，年代起步， 9090年代獲得廣泛應(yīng)用年代獲得廣泛應(yīng)用, ,已成為應(yīng)用領(lǐng)域最廣的技術(shù)。已成為應(yīng)用領(lǐng)域最廣的技術(shù)。 u蛋白、酶、蛋白、酶、DNADNA的濃縮的濃縮u脫鹽脫鹽/ /純化純化u梯度分離（相差梯度分離（相差1010倍）倍）u清洗細(xì)胞、純化病毒清洗細(xì)胞、純化病毒u除病毒、熱源除病毒、熱源Z納濾技術(shù)是反滲透膜過程為適應(yīng)工業(yè)軟化水納濾技術(shù)是反滲透膜過程為適應(yīng)工業(yè)軟化水的需求及降低成本的經(jīng)濟(jì)性不斷發(fā)展的新膜的

14、需求及降低成本的經(jīng)濟(jì)性不斷發(fā)展的新膜品種，以適應(yīng)在較低操作壓力下運(yùn)行，進(jìn)而品種，以適應(yīng)在較低操作壓力下運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低成本演變發(fā)展而來的。實(shí)現(xiàn)降低成本演變發(fā)展而來的。Z納濾納濾 ( NF( NF，NanofiltrationNanofiltration) )是一種介于反是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動膜分離過程。滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動膜分離過程。Z納濾分離范圍介于反滲透和超濾之間，截斷納濾分離范圍介于反滲透和超濾之間，截斷分子量范圍約為分子量范圍約為 MWCO300MWCO3001000 1000 ，能截留透，能截留透過超濾膜的那部分有機(jī)小分子，透過無機(jī)鹽過超濾膜的那部分有機(jī)小分子，透

15、過無機(jī)鹽和水。和水。篩分：篩分：對對Na+Na+和和Cl- Cl- 等單價離子的截留率較低，但對等單價離子的截留率較低，但對Ca2+Ca2+、Mg2+Mg2+、SO42-SO42-截留率高，對色素、染料、抗截留率高，對色素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（生素、多肽和氨基酸等小分子量（00-100000-1000）物）物質(zhì)可進(jìn)行分級分離，實(shí)現(xiàn)高相對分子量和低相對分質(zhì)可進(jìn)行分級分離，實(shí)現(xiàn)高相對分子量和低相對分子量有機(jī)物的分離，子量有機(jī)物的分離，道南（道南（DonnanDonnan）效應(yīng)：）效應(yīng)：納濾膜本體帶有電荷性，納濾膜本體帶有電荷性，對相同電荷的分子（陽離子）具有較高的截留率。對相同電

16、荷的分子（陽離子）具有較高的截留率。u低壓力下仍具有較高脫鹽性能；低壓力下仍具有較高脫鹽性能；u分離分子量相差不大但帶相反電荷的小分子（短分離分子量相差不大但帶相反電荷的小分子（短肽、氨基酸、抗生素）。肽、氨基酸、抗生素）。行行 業(yè)業(yè)處理對象處理對象行行 業(yè)業(yè)處理對象處理對象制藥工業(yè)制藥工業(yè)母液中有效成分的回收母液中有效成分的回收抗菌素的分離純化抗菌素的分離純化維生素的分離純化維生素的分離純化氨基酸的脫鹽與純化氨基酸的脫鹽與純化化工行業(yè)化工行業(yè)酸堿純化、回收酸堿純化、回收電鍍液中銅的回收電鍍液中銅的回收食品工業(yè)食品工業(yè)脫鹽與濃縮脫鹽與濃縮苛性堿回收苛性堿回收純水制備純水制備水的脫鹽、高純水、水

17、的脫鹽、高純水、地下水的凈化地下水的凈化染料工業(yè)染料工業(yè)活性染料的脫鹽與回收活性染料的脫鹽與回收廢水處理廢水處理印染廠廢水脫色印染廠廢水脫色造紙廠廢水凈化造紙廠廢水凈化滲透蒸發(fā)原理滲透蒸發(fā)原理 它是利用膜與被分離有機(jī)液體混合物中各它是利用膜與被分離有機(jī)液體混合物中各組分的組分的親合力不同（料液側(cè)為疏水膜）親合力不同（料液側(cè)為疏水膜），而有，而有選擇性地優(yōu)先吸附溶液某一組分，及各組分在選擇性地優(yōu)先吸附溶液某一組分，及各組分在膜中膜中擴(kuò)散速度擴(kuò)散速度不同，在不同，在膜兩側(cè)分壓差膜兩側(cè)分壓差的作用下的作用下達(dá)到達(dá)到分離分離的目的。的目的。滲透蒸發(fā)膜混合液滲透蒸發(fā)膜混合液疏水膜疏水膜抽真空抽真空有機(jī)溶

18、劑脫水、水的凈化、有機(jī)混合物分離，有機(jī)溶劑脫水、水的凈化、有機(jī)混合物分離，低醇酒生產(chǎn)。低醇酒生產(chǎn)。過程過程膜結(jié)構(gòu)膜結(jié)構(gòu)驅(qū)動力驅(qū)動力應(yīng)用對象應(yīng)用對象實(shí)實(shí) 例例微濾微濾對稱微孔膜對稱微孔膜0.0510m壓力差壓力差消毒、澄清收消毒、澄清收集細(xì)胞集細(xì)胞培養(yǎng)懸浮液除菌，產(chǎn)品培養(yǎng)懸浮液除菌，產(chǎn)品消毒，細(xì)胞收集消毒，細(xì)胞收集超濾超濾不對稱微孔膜不對稱微孔膜0nm壓力差壓力差大分子物質(zhì)分大分子物質(zhì)分離離蛋白質(zhì)的分離蛋白質(zhì)的分離/濃縮濃縮/純化純化/脫鹽脫鹽/去熱源去熱源納濾納濾復(fù)合膜復(fù)合膜1nm 壓力差壓力差Donna效應(yīng)效應(yīng)小分子物質(zhì)分小分子物質(zhì)分離離糖糖/二價鹽二價鹽/游離酸的分離游離酸的分離反滲透反滲透 致密膜、復(fù)合致密膜、復(fù)合膜膜1nm壓力差